微軟研究拓撲量子計算已經(jīng)有十多年了。但是市面上關(guān)于其研究的具體內(nèi)容并不多見。IBM、谷歌和多家學(xué)術(shù)實驗室選擇了相對成熟的硬件，比如超導(dǎo)導(dǎo)線環(huán)（loops of superconducting wire），來制作量子比特（qubit）。但是微軟卻希望能以一種準粒子（quasiparticle）的狀態(tài)編碼量子比特：一種從物質(zhì)的相互作用中出現(xiàn)的粒子狀物體（object）。

       Alex Bocharov 是一位數(shù)學(xué)家和計算機科學(xué)家，他微軟研究的量子結(jié)構(gòu)和計算組的成員。他對自然講述了微軟的這項研究。

Alex Bocharov，微軟研究量子結(jié)構(gòu)和計算組成員

微軟是如何最終決定要做這個拓撲量子比特的？它可能是最難的量子計算硬件的。

       我們是以人為中心，而不是以問題為中心。和量子計算的領(lǐng)軍人物，如 Alexei Kitaev、Daniel Gottesman，最值得注意的是，Michael Freedman，是我們量子計算團隊發(fā)展的帶頭人。所以這是 Freedman 自己開拓的視野最終決定了做事情的方式，我們都跟著他。

IBM 和谷歌都在使用超導(dǎo)環(huán)作為他們的量子比特。你正嘗試利用的量子比特是什么？

       我們的量子比特甚至都不是一種物質(zhì)的東西。但是同樣的物理學(xué)家在對撞機中使用的基本粒子不是真正的堅實的物體。我們有的是非阿爾貝任意子（non-abelian anyons），比普通粒子更加模糊。它們是準粒子。被研究的最多的任意子種類出現(xiàn)在非常冷電子鏈中，而電子鏈被限制在一個二維表面的邊緣。這些任意子的行為既像電子又像它對應(yīng)的反粒子，它通常以密集的電導(dǎo)峰的形式在一維電子鏈的兩端被觀測到。

任意子狀的粒子被作為一種獨立的物體在 1937 年被首次預(yù)測，而且 Kitaev 在 1997 年也說過準粒子可以應(yīng)用到量子計算機中。但是到了 2012 年，物理學(xué)家才首次宣稱發(fā)現(xiàn)了它們。你可以肯定它們真的存在嗎？

       我們非常確定這種最簡單的物種確實存在。2012 年，荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的 Leo Kouwenhoven 觀察到過它們。我不會說有 100% 的確定，但 Kouwenhoven 的觀察已經(jīng)被其他多家實驗室再現(xiàn)過。這種激發(fā)（excitation）到底是什么并不重要，一旦這種粒子變得可以測量了，它們就可以用來執(zhí)行計算了?，F(xiàn)在的問題是，實驗室正在把一些非常復(fù)雜的設(shè)備放在一起來產(chǎn)生大量的激發(fā)（excitation），并嘗試開始做計算了。

任意子的開發(fā)似乎非常困難。那么相比其他種類的量子比特，使用任意子的優(yōu)勢又在哪里呢？

       在大多數(shù)量子系統(tǒng)中，信息被編碼到粒子的屬性中，與周圍環(huán)境最輕微的相互作用都會破壞它們的量子態(tài)。這意味著他們的操作精確度可能達到了 99.9%，我們成為三個九。在解決現(xiàn)實問題上，我們需要的精確度水平是十個九，所以你需要創(chuàng)造出一個大型陣列的量子比特，能讓你來修正這些誤差。拓撲量子計算有達到六個或七個九的潛力，這意味著我們不再需要做大量昂貴的誤差校正了。

是什么讓拓撲量子計算的魯棒性這么好？

       從環(huán)境和計算機的其他部分而來的噪音是不可避免的，這可能導(dǎo)致準粒子的位置與強度的波動。但是沒問題，因為我們不會將信息編碼到準粒子自己身上，但是我們會按順序交換任意子的位置。我們稱之為辮子，因為如果你畫出在時間和空間上相鄰的任意子對的一個交換序列，那么它們的軌跡線條看起來像辮子。該信息被編碼成「拓撲」屬性，也就是說，這個系統(tǒng)的集體屬性只能跟隨宏觀運動而不是小波動來變化。

辮子的數(shù)學(xué)理論或許可以作為未來拓撲量子計算機的基礎(chǔ)

微軟已經(jīng)研究拓撲兩個字計算十多年了，這其中所需要大多數(shù)量子比特都是假設(shè)的。為什么你們會堅持到現(xiàn)在？

       這是值得的，因為它帶來的好處是巨大的，幾乎沒有壞處。微軟是一家經(jīng)濟實力雄厚的公司。如果坐擁 1000 億美元的現(xiàn)金，你會投資什么呢？比爾蓋茨也投資了其他東西——根除瘧疾和艾滋病病毒——未來這些研究可能都會需要用到量子計算。比如基因?qū)W到目前為止一直借助的是傳統(tǒng)計算機，而 100-200 個量子比特計算機可能會給基因?qū)W研究帶來巨大的進展。

微軟有多少人參與了量子計算研究，你們的投入是多少？

       大約在 35 到 40 個人，但是我不想冒昧地談?wù)撡Y金的問題，也給不出大概的估計。

你們的團隊一直在為這種量子計算機開發(fā)軟件，有什么成果嗎？

       到目前為止，我們已經(jīng)有了一個令人驚訝的成果，創(chuàng)造出了一個更有效的算法，它能減少量子比特相互作用的次數(shù)，叫做門（gate），只需要運行必要的計算，而這在傳統(tǒng)的計算機上是不可能的。比如，在本世紀初的那幾年里，人們認為在量子計算機上計算植物在光合作用中用到的鐵氧還蛋白能級（energy level）大約 240 億年?，F(xiàn)在通過理論、實踐、工程和仿真相結(jié)合，最樂觀的估計表明，這項計算可能只需要一小時左右。我們還在繼續(xù)解決這些問題，并逐步轉(zhuǎn)向更多的應(yīng)用工作，我們想到了量子化學(xué)、量子基因?qū)W，以及能在一個小到中等大小的量子計算機上解決的事情。

這算是占領(lǐng)先機嗎? 因為一個可以處理這些問題的量子計算機可能是十年以后的事情。

       過去的問題是，量子計算機在假設(shè)上會不會不傳統(tǒng)計算機表現(xiàn)更好這樣的問題是不是問題?，F(xiàn)在我們不僅想弄清楚它是不是可行的，還有如何實現(xiàn)它？我們需要闖過層層迷霧來解開這些問題，因為我們相信它本身將會成為一個完整的領(lǐng)域。